CN106646588A - 三维光纤地震传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三维光纤地震传感器，主要包括机箱、振动摆、弹簧、阻尼器、万向节、光纤环、东部传感组件、北部传感组件、南部传感组件、上部传感组件和西部传感组件，六个传感组件整体构成一个六棱体，六棱体的中心点设置振动摆，地震测量时，机箱随地震波一起振动，利用振动摆的惯性作用使箱体内的光纤环被压扁或拉伸，根据光纤微弯损耗原理，光纤环对光信号产生了光强调制，地震振动信号的大小与光强调制幅度的绝对值成正比关系，信号输出采用光纤传感组件的推挽输出，本传感器结构简单、灵敏度高、输出幅度大、抗干扰强、传输距离远、低频响应好，下限频率低、阻尼效果好，能够在复杂恶劣环境条件下的长时间使用且能测量三维地震信号。
Description
技术领域
本发明涉及地震传感器，尤其涉及一种三维光纤地震传感器，属于地震测量技术领域。
背景技术
光纤地震传感器由于其传输距离远，不受电磁环境干扰，已被广泛应用，其调制形式主要有强度调制型、光纤光栅型和干涉型等多种，目前在光纤地震传感器方面已有较多专利技术，这些光纤传感器各有其优点，有的灵敏度很高，有的频率响应很好，有的技术含量很高，能很好适应地震振动信号的转换，现有大多数光纤地震传感器的共同点是：(1)入射光纤到出射光纤之间有的有断裂，光信号不能连续传输，容易受环境温度、湿度和清洁度影响；（2）使用寿命有限，在复杂恶劣环境条件下当光纤端面或光栅缝隙受到潮气、灰尘和发霉等侵蚀时，传感器的灵敏度和准确性会受到严重影响，有的甚至会失灵；（3）有的地震传感器只能测量一维或者二维的地震信号，对于测量三维的地震信号需要安装多个传感器器，布线复杂，连接麻烦；（4）有些传感器阻尼装置不佳，阻尼效果较差，摆锤的自由振动容易干扰测量信号，所以，一些光纤地震传感器不能很好适应山体滑坡前兆和地震测量等复杂恶劣环境条件下的长时间长寿命的监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、阻尼效果较好、能够在复杂恶劣环境条件下的长时间使用的三维光纤地震传感器。
本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：三维光纤地震传感器包括传感组件(1)、阻尼器套筒(2)、外侧垫片(3)、外侧光纤支架(4)、万向节(5)、外侧连杆(6)、穿纤孔(7)、弹簧(8)、光纤环外侧(9)、内侧光纤支架(10)、内侧连杆(11)、内侧垫片(12)、阻尼器压杆(13)、光纤环内侧(14)、光纤缓冲段(15)、入射光纤(16)、光纤转接头(17)、光纤耦合器(18)、出射光纤(19)、机箱(20)、振动摆(21)、软丝(22)、外部光跳线(23)、底部传感组件(D)、东部传感组件(E)、北部传感组件(N)、南部传感组件(S)、上部传感组件(U)和西部传感组件(W)。
外侧垫片(3)、外侧光纤支架(4)、万向节(5)、外侧连杆(6)、穿纤孔(7)、内侧光纤支架(10)、内侧连杆(11)、内侧垫片(12)和机箱(20)构成支架框架机构，阻尼器套筒(2)、弹簧(8)和阻尼器压杆(13)构成弹簧阻尼机构，光纤环外侧(9)、光纤环内侧(14)、光纤缓冲段(15)、入射光纤(16)和出射光纤(19)构成光路传输机构，光纤转接头(17)和光纤耦合器(18)构成光纤转接机构，光纤环外侧(9)和光纤环内侧(14)组成光纤环。
传感组件(1)设有传感组件(1)、阻尼器套筒(2)、外侧垫片(3)、外侧光纤支架(4)、万向节(5)、外侧连杆(6)、穿纤孔(7)、弹簧(8)、光纤环外侧(9)、内侧光纤支架(10)、内侧连杆(11)、内侧垫片(12)、阻尼器压杆(13)、光纤环内侧(14)、光纤缓冲段(15)、入射光纤(16)、光纤转接头(17)、光纤耦合器(18)、出射光纤(19)和软丝(22)。
外侧光纤支架(4)的一侧为球面形且球面形一侧与万向节(5)的一端连接，万向节(5)的另一端与机箱(20)一个面的中心点连接，外侧光纤支架(4)的另一侧设有外侧垫片(3)，外侧垫片(3)通过外侧连杆(6)与阻尼器套筒(2)的一端连接，内侧光纤支架(10)为长方体且其一侧设有内侧垫片(12)，内侧垫片(12)通过内侧连杆(11)与阻尼器压杆(13)的一端连接，阻尼器压杆(13)的另一端插入阻尼器套筒(2)内，内侧光纤支架(10)的另一侧设有软丝(22)，软丝(22)的一端与振动摆(21)连接，弹簧(8)的一端与外侧垫片(3)连接，弹簧(8)的另一端与内侧垫片(12)连接，阻尼器套筒(2)、外侧连杆(6)、内侧连杆(11)和阻尼器压杆(13)设置在弹簧(8)内部。
外侧光纤支架(4)和内侧光纤支架(10)上面设有穿纤孔(7)，光纤环的腰部穿入穿纤孔(7)内，光纤环为椭圆形，外侧光纤支架(4)和内侧光纤支架(10)设置在椭圆形光纤环长轴的两端，传感组件(1)中的光纤环外侧(9)为两根，光纤环内侧(14)为一根，入射光纤(16)与光纤环外侧(9)之间以及出射光纤(19)与光纤环外侧(9)之间设有光纤缓冲段(15)，光路前进方向依次为入射光纤(16)、光纤缓冲段(15)、光纤环外侧(9)、光纤环内侧(14)、光纤环外侧(9)、光纤缓冲段(15)、出射光纤(19)，入射光纤(16)和出射光纤(19)通过光纤转接头(17)和光纤耦合器(18)和外部光纤连接。
机箱(20)内设有六个传感组件(1)和一个振动摆(21)，六个传感组件分别为东部传感组件(E)、西部传感组件(W)、南部传感组件(S)、北部传感组件(N)、上部传感组件(U)和底部传感组件(D)，东部传感组件(E)、西部传感组件(W)、南部传感组件(S)和北部传感组件(N)水平放置且构成一个十字星，上部传感组件(U)、底部传感组件垂直放置且和东部传感组件(E)、西部传感组件(W)或和南部传感组件(S)、北部传感组件(N)构成十字星，六个传感组件(1)整体构成六棱体，六棱体的中心点设置振动摆(21)。
通过光纤转接头(17)、光纤耦合器(18)和外部光跳线(23)，东部传感组件(E)和西部传感组件(W)产生的信号组成东西水平向振动信号的推挽输出，南部传感组件(S)和北部传感组件(N)产生的信号组成南北水平向振动信号的推挽输出，上部传感组件(U)和底部传感组件(D)产生的信号组成上下垂直向振动信号的推挽输出。
振动摆(21)的直径为42～50毫米，材质为黄铜，外部镀有铬，入射光纤(16)和出射光纤(19)的纤芯直径为200μm，包层外径为230μm，为塑料阶跃型光纤，所述的光纤为裸纤，其外部没有任何保护层，光纤转接头(17)为FC型。
地震测量时，机箱(20)随地震波一起振动，利用振动摆(21)的惯性作用保持其基本不动，使得箱体内的光纤环被压扁或拉伸，根据光纤微弯损耗原理，光纤环对光信号产生了光强调制，且地震振动信号的大小与光强调制幅度的绝对值成正比关系，即传感器对地震信号起到了传感或转换作用。
由于采用上述技术方案，本发明所具有的优点和积极效果是：传感器结构简单、灵敏度高、输出幅度大、抗干扰强、传输距离远、低频响应好，下限频率低、阻尼效果好，能够在复杂恶劣环境条件下的长时间使用且能测量三维地震信号。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明有如下6幅附图：
图1是光纤传感组件的结构图，
图2是光纤传感组件的剖视图，
图3是本发明的立体结构透视图，
图4是本发明的正视图之一，
图5是本发明的正视图之二，
图6是本发明的俯视图。
附图中所标各数字分别表示如下：
1.传感组件，2.阻尼器套筒，3.外侧垫片，4.外侧光纤支架，5.万向节，6.外侧连杆，7.穿纤孔，8.弹簧，9.光纤环外侧，10.内侧光纤支架，11.内侧连杆，12.内侧垫片，13.阻尼器压杆，14.光纤环内侧，15.光纤缓冲段，16.入射光纤，17.光纤转接头，18.光纤耦合器，19.出射光纤，20.机箱，21.振动摆，22.软丝，23.外部光跳线，D.底部传感组件，E.东部传感组件， N.北部传感组件，S.南部传感组件，U.上部传感组件，W.西部传感组件。
具体实施方式
1.根据图1至图6，三维光纤地震传感器，包括传感组件(1)、阻尼器套筒(2)、外侧垫片(3)、外侧光纤支架(4)、万向节(5)、外侧连杆(6)、穿纤孔(7)、弹簧(8)、光纤环外侧(9)、内侧光纤支架(10)、内侧连杆(11)、内侧垫片(12)、阻尼器压杆(13)、光纤环内侧(14)、光纤缓冲段(15)、入射光纤(16)、光纤转接头(17)、光纤耦合器(18)、出射光纤(19)、机箱(20)、振动摆(21)、软丝(22)、外部光跳线(23)、底部传感组件(D)、东部传感组件(E)、北部传感组件(N)、南部传感组件(S)、上部传感组件(U)和西部传感组件(W)。
2.外侧垫片(3)、外侧光纤支架(4)、万向节(5)、外侧连杆(6)、穿纤孔(7)、内侧光纤支架(10)、内侧连杆(11)、内侧垫片(12)和机箱(20)构成支架框架机构，阻尼器套筒(2)、弹簧(8)和阻尼器压杆(13)构成弹簧阻尼机构，光纤环外侧(9)、光纤环内侧(14)、光纤缓冲段(15)、入射光纤(16)和出射光纤(19)构成光路传输机构，光纤转接头(17)和光纤耦合器(18)构成光纤转接机构，光纤环外侧(9)和光纤环内侧(14)组成光纤环。
3.传感组件(1)设有传感组件(1)、阻尼器套筒(2)、外侧垫片(3)、外侧光纤支架(4)、万向节(5)、外侧连杆(6)、穿纤孔(7)、弹簧(8)、光纤环外侧(9)、内侧光纤支架(10)、内侧连杆(11)、内侧垫片(12)、阻尼器压杆(13)、光纤环内侧(14)、光纤缓冲段(15)、入射光纤(16)、光纤转接头(17)、光纤耦合器(18)、出射光纤(19)和软丝(22)。
4.外侧光纤支架(4)的一侧为球面形且球面形一侧与万向节(5)的一端连接，万向节(5)的另一端与机箱(20)一个面的中心点连接，外侧光纤支架(4)的另一侧设有外侧垫片(3)，外侧垫片(3)通过外侧连杆(6)与阻尼器套筒(2)的一端连接，内侧光纤支架(10)为长方体且其一侧设有内侧垫片(12)，内侧垫片(12)通过内侧连杆(11)与阻尼器压杆(13)的一端连接，阻尼器压杆(13)的另一端插入阻尼器套筒(2)内，内侧光纤支架(10)的另一侧设有软丝(22)，软丝(22)的一端与振动摆(21)连接，弹簧(8)的一端与外侧垫片(3)连接，弹簧(8)的另一端与内侧垫片(12)连接，阻尼器套筒(2)、外侧连杆(6)、内侧连杆(11)和阻尼器压杆(13)设置在弹簧(8)内部。
5.外侧光纤支架(4)和内侧光纤支架(10)上面设有穿纤孔(7)，光纤环的腰部穿入穿纤孔(7)内，光纤环为椭圆形，外侧光纤支架(4)和内侧光纤支架(10)设置在椭圆形光纤环长轴的两端，传感组件(1)中的光纤环外侧(9)为两根，光纤环内侧(14)为一根，入射光纤(16)与光纤环外侧(9)之间以及出射光纤(19)与光纤环外侧(9)之间设有光纤缓冲段(15)，光路前进方向依次为入射光纤(16)、光纤缓冲段(15)、光纤环外侧(9)、光纤环内侧(14)、光纤环外侧(9)、光纤缓冲段(15)、出射光纤(19)，入射光纤(16)和出射光纤(19)通过光纤转接头(17)和光纤耦合器(18)和外部光纤连接。
6.机箱(20)内设有六个传感组件(1)和一个振动摆(21)，六个传感组件分别为东部传感组件(E)、西部传感组件(W)、南部传感组件(S)、北部传感组件(N)、上部传感组件(U)和底部传感组件(D)，东部传感组件(E)、西部传感组件(W)、南部传感组件(S)和北部传感组件(N)水平放置且构成一个十字星，上部传感组件(U)、底部传感组件垂直放置且和东部传感组件(E)、西部传感组件(W)或和南部传感组件(S)、北部传感组件(N)构成十字星，六个传感组件(1)整体构成六棱体，六棱体的中心点设置振动摆(21)。
7.通过光纤转接头(17)、光纤耦合器(18)和外部光跳线(23)，东部传感组件(E)和西部传感组件(W)产生的信号组成东西水平向振动信号的推挽输出，南部传感组件(S)和北部传感组件(N)产生的信号组成南北水平向振动信号的推挽输出，上部传感组件(U)和底部传感组件(D)产生的信号组成上下垂直向振动信号的推挽输出。
8.振动摆(21)的直径为42～50毫米，材质为黄铜，外部镀有铬，入射光纤(16)和出射光纤(19)的纤芯直径为200μm，包层外径为230μm，为塑料阶跃型光纤，所述的光纤为裸纤，其外部没有任何保护层，光纤转接头(17)为FC型。
9.地震测量时，机箱(20)随地震波一起振动，由于振动摆(21)的惯性作用保持其基本不动，使得机箱(20) 箱体内的光纤环被压扁或拉伸，利用光纤微弯损耗原理，光纤环对光信号产生了光强调制，且地震振动信号的大小与光强调制幅度的绝对值成正比关系，即传感器对地震信号起到了传感或转换作用。
10.光纤环外侧(9)、光纤环内侧(14)和光纤缓冲段(15)的弯曲程度较小，相对平直些，离光纤损耗的临界状态相差较远，使得光纤环被压扁或拉伸时对其不会产生微弯损耗，消除它们对传感过程的影响；外侧光纤支架(4)和内侧光纤支架(10)附近处的光纤环弯曲程度较大，光纤环被压扁或拉伸时其均在光纤损耗损耗之中， 光纤环被压扁时，此处的光纤微弯损耗相对大些，光纤环拉伸时，此处的光纤微弯损耗相对小些。
11.所述的传感器相比于光纤光栅型和光纤干涉型地震传感器结构较为简单；由于采用推挽输出，所以传感器的灵敏度较高，输出幅度较大；由于光纤环没有断痕，所以传感器的低频响应好，下限频率低，且能够在复杂恶劣环境条件下的长时间使用；由于采用了套筒式阻尼器，所以阻尼效果好，摆锤的自由振动时间短，衰减迅速。
Claims (1)
1.一种三维光纤地震传感器，包括传感组件(1)、阻尼器套筒(2)、外侧垫片(3)、外侧光纤支架(4)、万向节(5)、外侧连杆(6)、穿纤孔(7)、弹簧(8)、光纤环外侧(9)、内侧光纤支架(10)、内侧连杆(11)、内侧垫片(12)、阻尼器压杆(13)、光纤环内侧(14)、光纤缓冲段(15)、入射光纤(16)、光纤转接头(17)、光纤耦合器(18)、出射光纤(19)、机箱(20)、振动摆(21)、软丝(22)、外部光跳线(23)、底部传感组件(D)、东部传感组件(E)、北部传感组件(N)、南部传感组件(S)、上部传感组件(U)和西部传感组件(W)；
外侧垫片(3)、外侧光纤支架(4)、万向节(5)、外侧连杆(6)、穿纤孔(7)、内侧光纤支架(10)、内侧连杆(11)、内侧垫片(12)和机箱(20)构成支架框架机构，阻尼器套筒(2)、弹簧(8)和阻尼器压杆(13)构成弹簧阻尼机构，光纤环外侧(9)、光纤环内侧(14)、光纤缓冲段(15)、入射光纤(16)和出射光纤(19)构成光路传输机构，光纤转接头(17)和光纤耦合器(18)构成光纤转接机构，光纤环外侧(9)和光纤环内侧(14)组成光纤环；
其特征在于：传感组件(1)设有传感组件(1)、阻尼器套筒(2)、外侧垫片(3)、外侧光纤支架(4)、万向节(5)、外侧连杆(6)、穿纤孔(7)、弹簧(8)、光纤环外侧(9)、内侧光纤支架(10)、内侧连杆(11)、内侧垫片(12)、阻尼器压杆(13)、光纤环内侧(14)、光纤缓冲段(15)、入射光纤(16)、光纤转接头(17)、光纤耦合器(18)、出射光纤(19)和软丝(22)；
外侧光纤支架(4)的一侧为球面形且球面形一侧与万向节(5)的一端连接，万向节(5)的另一端与机箱(20)一个面的中心点连接，外侧光纤支架(4)的另一侧设有外侧垫片(3)，外侧垫片(3)通过外侧连杆(6)与阻尼器套筒(2)的一端连接，内侧光纤支架(10)为长方体且其一侧设有内侧垫片(12)，内侧垫片(12)通过内侧连杆(11)与阻尼器压杆(13)的一端连接，阻尼器压杆(13)的另一端插入阻尼器套筒(2)内，内侧光纤支架(10)的另一侧设有软丝(22)，软丝(22)的一端与振动摆(21)连接，弹簧(8)的一端与外侧垫片(3)连接，弹簧(8)的另一端与内侧垫片(12)连接，阻尼器套筒(2)、外侧连杆(6)、内侧连杆(11)和阻尼器压杆(13)设置在弹簧(8)内部；
外侧光纤支架(4)和内侧光纤支架(10)上面设有穿纤孔(7)，光纤环的腰部穿入穿纤孔(7)内，光纤环为椭圆形，外侧光纤支架(4)和内侧光纤支架(10)设置在椭圆形光纤环长轴的两端，传感组件(1)中的光纤环外侧(9)为两根，光纤环内侧(14)为一根，入射光纤(16)与光纤环外侧(9)之间以及出射光纤(19)与光纤环外侧(9)之间设有光纤缓冲段(15)，光路前进方向依次为入射光纤(16)、光纤缓冲段(15)、光纤环外侧(9)、光纤环内侧(14)、光纤环外侧(9)、光纤缓冲段(15)、出射光纤(19)，入射光纤(16)和出射光纤(19)通过光纤转接头(17)和光纤耦合器(18)和外部光纤连接；
机箱(20)内设有六个传感组件(1)和一个振动摆(21)，六个传感组件分别为东部传感组件(E)、西部传感组件(W)、南部传感组件(S)、北部传感组件(N)、上部传感组件(U)和底部传感组件(D)，东部传感组件(E)、西部传感组件(W)、南部传感组件(S)和北部传感组件(N)水平放置且构成一个十字星，上部传感组件(U)、底部传感组件垂直放置且和东部传感组件(E)、西部传感组件(W)或和南部传感组件(S)、北部传感组件(N)构成十字星，六个传感组件(1)整体构成六棱体，六棱体的中心点设置振动摆(21)；
通过光纤转接头(17)、光纤耦合器(18)和外部光跳线(23)，东部传感组件(E)和西部传感组件(W)产生的信号组成东西水平向振动信号的推挽输出，南部传感组件(S)和北部传感组件(N)产生的信号组成南北水平向振动信号的推挽输出，上部传感组件(U)和底部传感组件(D)产生的信号组成上下垂直向振动信号的推挽输出；
振动摆(21)的直径为42～50毫米，材质为黄铜，外部镀有铬，入射光纤(16)和出射光纤(19)的纤芯直径为200μm，包层外径为230μm，为塑料阶跃型光纤，所述的光纤为裸纤，其外部没有任何保护层，光纤转接头(17)为FC型。
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